BADANIA NAD WŁASNOŚCIAMI GEOTECHNICZNYMI FIBROGRUNTÓW Krzysztof Gradkowski* 1. Wstep Od wielu lat poszukuje się różnych sposobów ulepszania i stabilizacji własności fizyko mechanicznych gruntów stanowiących nośne podłoża budowli drogowych. Częściej też występuje konieczność utylizacji odpadów z tworzyw syntetycznych. Pewnym rozwiązaniem w tym zakresie może być zastosowanie mieszanek gruntu i drobnych elementów fibrów stanowiących cięte odpady produktów z tworzyw sztucznych. Testy zastosowań technicznych i testy laboratoryjne nad zastosowaniem geofibrów w ulepszaniu gruntów zostały podjęte w kilku krajach na początku lat osiemdziesiątych [1], [3]. Były to badania w aparacie bezpośredniego ścinania piasków zmieszanych z geofibrami wykonanymi z syntetyków, metalu i pochodzenia naturalnego (włókna kokosowe). Zauważono wówczas, że opór ścinania próbek fibrogruntów zależy nie tylko od ilościowej zawartości geofibrów, rodzaju materiału z którego wykonane są geofibry, ale także od kierunku ich ułożenia w ścinanej próbce, elastyczności poszczególnych rodzajów geofibrów oraz od ich wymiarów określających powierzchnię czynną tarcia w gruncie. Skuteczne wzmocnienie gruntów podłoża nawierzchni drogowej uzyskane podczas wstępnych doświadczeń zmobilizowały do dalszych badań. Znaczące i rozpoznawcze badania laboratoryjne gruntów z różnymi formami geosyntetyków w aparacie trójosiowego ścinania przedstawiono w pracy [2]. Wyższa wytrzymałość na ścinanie fibrogruntu od gruntu bez żadnych zbrojeń jest ewidentna. Bezsporny jest też wzrost nośności warstw wykonanych z mieszanek geofibrów i gruntów piaszczystych. W pracy [3] użyto geofibry elastyczne, poliestrowe długości ok. 12 mm i szerokości ok. 2 mm, przy czym w dyskusji wyników tych badan podkreślono, że wymiary geofibrów dostosowane są do wymiarów walcowej próbki w aparacie trójosiowym o średnicy 38 mm i dwukrotnie wyższej wysokości. Określono też zależność jakości fibrogruntów od kształtu, wymiarów geofibrów, uziarnienia gruntu, sposobu ich mieszania z gruntem stosując piasek drobny FSa, ρ= 1,65 g/cm 3, C U =3,6. *) Krzysztof Gradkowski, Dr Eng., Warsaw Technical University, Faculty of Civil Engineering, Department of Transportations Engineering, Al. Armii Ludowej 16, 00-637, Warsaw, Poland. Phone: +48 22 234 6461, Fax: +48 22 825 89 46, E-mail: k.gradkowski@il.pw.edu.pl Używano też geofibrów włóknistych o długości ok. 15 mm i przeciętnej średnicy 0,25 mm mieszając je z piaskiem drobnym (FSa) o takich samych wymiarach próbek jak określono
wyżej. W badaniach [4] do zmodyfikowanego testu Proctora użyto piasku pylastego (sisa), popiołów spalania węgla kamiennego oraz geofibrów wykonanych z polipropylenu o długości ok. 20 mm i włókien sizalu o długości ok. 80 mm. Stosunek długości włókien do średnicy wynosił ok. 400, a maksymalny dodatek geofibrów 2% w stosunku do ciężaru suchego piasku. W pracy [5] do badań użyto fibrów propylenowych o długości ok. 12 mm mieszając je jedynie z pyłem ilastym (sicl) oraz pyłem ilastym i cementem. Przeprowadzano testy porównawcze zagęszczalności próbek i w aparacie bezpośredniego ścinania. Według innych badań, sprawdzano też skutek zbrojenia geofibrami na pęcznienie spoistych gruntów ilastych w edometrach dodając max 0,5% fibrów. Używano propylenowe geofibry o szerokości ok. 2 mm i długościach od 15 mm do 90 mm. Pewna różnorodność geofibrów używanych w różnych badaniach pozwala na sformułowanie następujących uwag; geofibry wykonane są z tworzyw syntetycznych, propylenu, polichlorku winylu, poliestrowe i sizalowe (włókna roślin tropikalnych), elastycznych, nie rozkładalnych, często odpadów poprodukcyjnych, a także metalowe o wydłużonych kształtach regularnych i nieregularnych. Wymiary geofibrów na ogół dostosowane są do wymiarów badanych próbek fibrogruntów, oraz do dominującej frakcji gruntu zmienne i różne wymiary pojedynczych elementów fibrów od włóknistych o średnicy 0,2 mm i długości 100 mm do płaskich o szerokości 1 mm do 30 mm. Charakterystykę wymiarów geofibrów stanowi wskaźnik aspektu uziarnienia gruntu a f określany jako stosunek wymiaru długości do szerokości lub średnicy pojedynczego elementu, stosując a f 10, 15, 30, 45, 60 2. Materiały do testów laboratoryjnych Do badań laboratoryjnych przyjęto grunt stanowiący piasek średnio ziarnisty (MSa), którego właściwości określono według normy [6], ρ=1,81g/cm 3 i charakterystyce uziarnienia f i = 0%, f π < 1%, f p = 99.%, f ż = 0%, wskaźniku różnoziarnistości C U = 5. Geofibry sporządzono ze zużytych pociętych pojemników i taśmy z tworzyw polipropylenowych i polichlorku winylu o podłużnych nieregularnych kształtach o największym wymiarze 25 mm, a najmniejszym 2 mm o tak zwanym wskaźniku aspektu uziarnienia gruntu a I wynosił od 10 do 12. Strukturę przygotowanych geofibrów i fibrogruntu jako mieszanki z piaskiem przedstawia rys.1. Rys.1. Struktura geofibrów i fibrogruntu Fig.1. Fibers and ground-fiber mixture. Geofibry wytworzono w taki sposób aby ich wymiary były kompromisowe w stosunku do wymiarów geofibrów włóknistych a geofibrami przygotowywanych z odpadów lub wtórnych produktów z tworzyw typu poliwinylowego, poliestrowych nie stawiając wymagań
szczegółowych co do jakości tworzywa syntetycznego. Jest to założenia opłacalności takiego sposobu wzmocnienia i ulepszenia parametrów nośności gruntów podłoży. 3. Testy laboratoryjne parametrów fibrogruntów Sporządzono próbki mieszanek fibro-gruntowych z objętościową zawartością 8%,12%,16% i 20% geofibrów w mieszance na próbkach których wykonano testy badań Proctora wersji zmodyfikowanej według [7], określając maksymalne gęstości szkieletu gruntowego ρ ds i wilgotności optymalnych w opt dla różnych zawartości objętościowej geofibrów. Podstawowym wymaganiem jakościowym dla gruntowego podłoża nawierzchni drogowej jest uzyskanie odpowiedniej wartości wtórnego modułu odkształcenia wtórnego E 2 lub stopnia odkształcenia I o określanego jako stosunku pierwotnego modułu odkształcenia E 1 do wtórnego modułu odkształcenia E 2. Wymagany poziom stopnia odkształcenia I o można uzyskać tylko przy zachowaniu odpowiedniego wskaźnika zagęszczenia I S 1., a zatem przy odpowiednich ρ ds i w opt. Wskaźnik zagęszczenia określany także dla danej warstwy gruntu, oznaczmy jako; gdzie; I S wskaźnik zagęszczenia, [-] d I S (1) ds ρ d gęstość objętościowa szkieletu gruntu warstwy nasypowej, [g/cm 3 ] ρ ds maksymalna gęstość szkieletu gruntu zagęszczonego przy wilgotności optymalnej (w opt ) wyznaczona w aparacie Proctora, według normy [7] Relacje miedzy parametrami zagęszczalności gruntów są poza analityczne i mogą być każdorazowo określane jedynie empirycznie. Wynika z nich jednak, że dla danego rodzaju gruntu warstwy nośnej podłoża nawierzchni zmiany ρ ds i jego wilgotności optymalnych w opt mają istotne znaczenie. Stąd też w testach laboratoryjnych własności mieszanek gruntu i geofibrów jako potencjalnej gruntowej warstwy nośnej podłoża nawierzchni drogowej przyjęto ρ ds i w opt określane według normy [7] oraz parametr bezpośredni, kalifornijski wskaźnik nośności CBR określany według normy [7] Rys.2. Zmiany ciężaru szkieletu gruntowego dla różnych zawartości geofibrów Fig.2. Evaluation of the dry density and fibers content
Rys.3. Zmiany wilgotności optymalnej fibrogrunty dla różnych zawartości geofibrów. Fig.3. Evaluation of optimum moisture content and fibers percentage. Rys.4. Kalifornijski wskaźnik nośności (CBR) dla różnych fibrogruntów Fig.4. California Bearing Ratio (CBR) for different fibers content in simple mixtures 4. Wnioski Wykonane testy laboratoryjne parametrów charakterystycznych dla fibrogruntów wskazują na ich przydatność do wzmocnień gruntowych podłoży nawierzchni drogowych. Przeprowadzone testy laboratoryjne podstawowych parametrów fizycznych fibrogruntów kwalifikują je, jako formy wzmacniania i stabilizacji piaszczystych gruntów podłoży nawierzchni drogowych, a także gruntowych podłoży fundamentów budynków i innych budowli. Wzmacniająca funkcja geofibrów z tworzyw syntetycznych w warstwach gruntów piaszczystych jest dostatecznie wykazana w pracach [1],[3],[5]. Wyniki przeprowadzonych testów laboratoryjnych wskazują jednocześnie, że, 1. Redukcja gęstości objętościowej ρ ds wraz ze wzrostem zawartości geofibrów w gruncie rokuje wzrost zdolności zagęszczania fibrogruntów jako warstwy ulepszonego gruntu 2. Wzrost poziomu w opt proporcjonalnie do objętościowej zawartości geofibrów pozwala na stosowanie technologii zagęszczania warstw fibrogruntów także w warunkach umiarkowanych opadów atmosferycznych, co w przypadku większości gruntów nie ulepszanych jest nie możliwe. 3. Bezpośredni przyrost CBR wraz ze wzrostem objętościowym zawartości geofibrów jednoznacznie wskazuje na polepszenie nośności warstwy podłoża gruntowego wykonanej fibrogruntów. W celu podkreślenia i właściwej ekspozycji tych wniosków, wykonano fotografię ilustrującą efekty wzmocnienia podłoża gruntowego geofibrami w porównaniu do samego gruntu, rys.6 Jest to jedynie demonstracja skutków takiego wzmocnienia i nie jest obrazem stanowiska
pomiarowego. Przed wykonaniem przygotowano jednakową ilość piasku średnioziarnistego MSa o ρ = 1,65 g/cm 3, o objętości ok. 3,8 dcm 3 i z wysokości ok. 1m zrzucono kostkę betonową o masie ok. 5 kg wyrównując spłaszczone pryzmy fibrogruntu i gruntu. Rys.5. Demonstracja mniejszej podatności fibrogruntów na osiadanie Fig.5. Demonstration of the effect with geofiber reinforcement ground base. Podobnie jak dla mieszanek gruntowych ze spoiwami hydraulicznymi istotne znaczenie w uzyskaniu korzystniejszych parametrów nośności warstw gruntowych ma proces zagęszczenia. Wykorzystanie własności gruntów ulepszonych, jako fibrogruntów może mieć pełne zastosowanie techniczne pokazane na rys.7. pobocze oś jezdni ok. 1m podłoże gruntowe nie ulepszone 20 cm FSa; MSa;+ 20% geofibrów Rys.6. Warstwa fibrogruntu w podłożu nawierzchni drogowej. Fig.6. Fiber-reinforced structures of the road ground subbase Stosowania tego rodzaju rozwiązania jako warstwy wzmocnionej podłoża nawierzchni drogi wydaja się również konkurencyjne w stosunku do każdej innej formy wzmacniania spoiwami hydraulicznym takiej warstwy. Konkurencyjność zastosowania według rys. 7. wynika z faktu, że geofibry można pozyskać z różnych odpadów i wtórnego obrotu wyrobów z tworzyw sztucznych. Nawet kilkusetletnia odporność na rozkład takich odpadów staje się w tym przypadku wadą użyteczną. Do przygotowania geofibrów można też stosować zniszczone geosiatki i geotekstylia lub ich odpady nie odpowiadające założonym w procesie produkcji właściwościom. Wzmocnienie gruntowego podłoża nawierzchni poprzez zastosowanie geofibrów jest znacznie tańsze od wzmocnienia gruntów hydraulicznymi i może mieć zastosowanie w podłożach nawierzchni dróg szynowych oraz w innych rodzajach podłoży budowli inżynierskich.
Literatura [1] Gray, D.H., Ohashi, H., Mechanics of fiber reinforcement in sand. Journal of Geotechnical Engineering ASCE 109(3), 1983, pp. 335-353. [2] Mandhavi Latha, Vidya S. Murthy.; Effects of reinforcement form on the behavior of geosynthetic reinforced sand.. Geotextiles and Geomembranes 25 (2007), pp. 23-32. [3]. Madhavi Latha, Vidya S. Murthy.; Investigations on Sand Reinforced with Different Geosynthetics. Geotechnical Testing Journal, Vol.29, No.6., November 2006, pp. 474-480. [4] Mahipal Singh Chauhan, Satyendra Mitkal, Bijayananda Mohanty; Performance evaluation of silty sand subgrade reinforced with fly ash and fibre. Geotextiles and Geomembranes 26. 2008, pp. 429-435. [5] Sivakumar Babu, G.L., Vasudevan, A.K., Sumanta Haldar.; Numerical simulation of fiber-reinforced sand behavior. Geotextiles and Geomembranes 26. 2008, pp. 181-188. [6] PN EN ISO 14688-1,2 Geotechnical investigation and testing Identification and classification of soil Part1: Identification and description; Part 2: Principles for a classification [7] PN EN 13286: 2004 Unbound and hydraulically bound mixtures. Part 2. Test methods for the laboratory determination of the laboratory reference density and water content. Proctor compaction. Part 47. Test methods for the determination of California bearing ratio, immediate bearing index and linear swelling. RESEARCH ON GEOTECHNICAL PROPORTIES OF THE SOIL- FIBER MIXTERES Krzysztof Gradkowski In this paper, results of an experimental study has been presented to determine the effect of randomly oriented fibers mixed with sand on the value of compactions test parameters, CBR and other geotechnical properties. A number of laboratory tests have been carried out to determine the influence of increasing contents of fibers on the physical properties of soil mixtures. The results in others research indicate that the strength parameters of the soil-fiber mixture as a layer can be improved significantly. Some strength improvement of ground subbase roads pavement can be done with application of the sand-fiber mixtures. Keywords; roads sub-base, soils reinforcement, fibers.